Гибридные линии энергопередачи: диборид магния и жидкий водород
2015, Tом 12, выпуск 3
Тематика: Российские разработки
Преимущество сверхпроводящих кабелей перед традиционными очевидно (более высокая плотность тока, меньшие потери, пожаробезопасность и компактность), однако существует целый ряд технических трудностей, замедляющих внедрение сверхпроводящих кабелей в электросети. Кроме того, с учетом перспектив развития, в обозримом будущем потребуется передавать мощности на уровне десятков ГВт, что пока недостижимо, даже с использованием сверхпроводников. Данная проблема широко обсуждается мировым научным сообществом в течение многих лет. Предложено несколько способов передачи высоких мощностей, одним из которых являются гибридные линии энергопередачи.
Технология заключается в объединении в одной магистрали топливной и электрической линий. В качестве топлива выступает жидкий водород с температурой около 20 К. «Бесплатный» холод жидкого водорода может быть использован для охлаждения кабеля, изготовленного из сверхпроводника, имеющего подходящую критическую температуру. Сейчас это либо все высокотемпературные сверхпроводники с Тс~90-110 К либо кабель на основе диборида-магния (MgB2, критическая температура 39 К). Передаваемая гибридной линией мощность складывается из электрической мощности, передаваемой по сверхпроводящему кабелю, и тепловой мощности, полученной от сжигания жидкого водорода. Концепция гибридной линии обсуждалась очень давно, а впервые использовать с водородом диборид-магния предложил П. Грант в 2001-2002 г.г. [1,2]. Такая совместная концепция одновременного использования водородных и электрических технологий в англоязычной литературе получила название hydricity отhydrogen+electricity. Наши исследователи придумали вполне адекватное русское слово: «водоричество».
Коллективом российских исследователей (ВНИИКП, МАИ, ИНМЭ РАН) был опубликован цикл работ, посвященный созданию первых в мире двух экспериментальных прототипов гибридных линий электропередачи. Полученные результаты не только впервые в мире экспериментально подтвердили потенциальную возможность применения такой технологии передачи энергии, но и доказали ее практическую целесообразность.
Использование водорода в гибридной линиях электропередачи оправдано сразу несколькими факторами. Во-первых, жидкий водород является энергоносителем большой емкости - порядка 120 МДж/кг – самая высокая теплотворная способность. Во вторых, температура кипения в 20 К и высокая величина теплоты испарения в 446 кДж/кг (199 кДж/кг для жидкого азота) позволяет использовать водород в качестве эффективного хладагента для диборида магния. Дополнительным аргументом является тот факт, что критическая температура всех существующих высокотемпературных сверхпроводников и диборида магния значительно выше температуры кипения водорода. В сочетании с высокой теплотой испарения это позволяет избежать возникновения крупных пузырей и образования газовых пробок, особенно сильно этот эффект проявит себя на линиях длиной в несколько километров. Наконец, сжигание водорода для получения тепловой энергии в качестве отхода дает чистую воду, что является существенным плюсом с точки зрения экологии.
Сверхпроводящий кабель является основной частью гибридной линии энергопередачи. С точки зрения токонесущей способности, для изготовления кабеля может быть использован любой из представленных на рынке высокотемпературных сверхпроводников как 1-го, так и 2-го поколения. Однако, с точки зрения стоимости сверхпроводника, использование MgB2 представляется наиболее целесообразным. В частности, стоимость ВТСП лент первого поколения (Bi-2223, Bi-2212) лежит в диапазоне 120 -150 $/кА·м при охлаждении жидким азотом и 40 - 50 $/кА·м в случае использования жидкого водорода. Аналогичный показатель для ВТСП лент 2-го поколения составляет 300 - 500 $/кА·м в жидком азоте и 80 -150 $/кА·м в жидком водороде. Тогда как стоимость MgB2 проводников работающих в жидком водороде - всего 5 $/кА·м.
Коллективом исследователей было разработано и изготовлено два экспериментальных прототипа гибридной линии энергопередачи на основе сверхпроводящего кабеля постоянного тока из MgB2 проводника. Рабочее напряжение обоих прототипов гибридной линии составляло 20 кВ, при номинальных токах 2,5 кА и 3 кА.
Работы по первому прототипу проводились в 2010 - 2011 гг., результаты были опубликованы в 2012 - 2013 гг. [3, 4]. Для создания сверхпроводящего кабеля был выбран коммерчески доступный многожильный MgB2 проводник производства итальянской компании Columbus Superconductor из г. Генуя в виде ленты сечением 3,64´0,65 мм, на сверхпроводящие волокна приходилось 12% от общего сечения. Эта компания пока единственная в мире, выпускающая провод из диборида магния, не требующего термообработки после изготовления изделия.
Изначально авторы не располагали точными данными о токонесущей способности проводника Экстраполяция данных, представленных поставщиком, дала предполагаемую рабочую плотность тока в 220 А/мм2 при 20 К в собственном магнитном поле. Как показали дальнейшие измерения, для различных участков одного проводника существует разброс по значениям критического тока, лежащий, однако, в допустимых пределах.
Конструкция кабеля была разработана, исходя из возможностей стандартной кабельной машины, предназначенной для работы с плоскими лентами (cм. Рис. 1). Был использован опыт ВНИИКП по изготовлению сверхпроводящих кабелей на основе ВТСП. Основой кабеля является формер из нержавеющей стали с внутренним каналом для прокачки жидкого водорода диаметром 12 мм. Вокруг формера наматывается стабилизирующий слой из медных проволок и лент, поверх которого навивается сверхпроводящий слой. Далее наносится электрическая изоляция (20 слоев полиимидной ленты толщиной 50 мкм), после которой наматываются вторые сверхпроводящий и стабилизирующий слои. В первом прототипе кабеля ВНИИКП оба сверхпроводящих слоя содержали по пять лент, что ограничивало тока кабеля на уровне в 3 кА, который определялся имеющимися на тот момент техническими возможностями экспериментаторов. Общая длина прототипа кабеля составляла 10 м. После изготовления во ВНИИКП кабель был переправлен в Московский Авиационный Институт для установки в криостат.
Рис. 1. Сверхпроводящий кабель первого прототипа гибридной линии энергопередачи: постоянный ток, 20 кВ, 2,5 кА.
Рис. 2. Первый прототип гибридной линии на испытаниях (1-токовводы, 2-криостат, 3-криогенный трубопровод жидкого водорода, 4-рама).
Система криогенного обеспечения кабеля бала разработана в МАИ и состояла из криостата с экранно-вакуумной теплоизоляцией общей длиной 12 м, объединенного с системой подачи жидкого водорода и токовводной муфтой с двумя токовводами. Система криогенного обеспечения позволяла прокачивать хладагент как через центральный канал кабеля, так и по внешней его поверхности для обеспечения равномерного охлаждения обоих сверхпроводящих слоев. Токовводы кабеля изготовлены из меди, их соединение со сверхпроводящим кабелем осуществлялось посредством гибких шин. На противоположном от токовводной муфты конце кабеля его жилы были замкнуты перемычкой, то есть полный токовый путь составлял 20 м.
Испытания прототипа гибридной линии энергопередачи были проведены на полигоне КБ «Химавтоматика», г. Воронеж, в ноябре 2011 г., получены следующие основные результаты:
l охлаждение кабеля заняло около 380 секунд, расход жидкого водорода составил 2,3 кг;
l колебания температуры кабеля лежали в диапазоне от 0,2 до 0,8 К;
l массовый расход жидкого водорода составлял от 10 до 250 г/с;
l теплоприток по токовводам при токе 2,6 кА составил около 300 Вт;
l критический ток кабеля при температуре 20,6 К достигал 2640 А.
Поток жидкого водорода по криостату кабеля позволял передать мощность до 31 МВт. Электрическая мощность, которую можно было бы передать по кабелю, достигала 50 МВт (20 кВ, 2,5 кА, постоянный ток). Необходимо отметить, что возможности кабеля не были использованы полностью: количество сверхпроводящих лент в кабеле легко можно было бы увеличить, как минимум, в три раза, что подняло бы передаваемую электрическую мощность до 150 МВт, при плотности мощности до 3 МВт/см2. Для сравнения, первая линия газопровода «Северный поток» передает эквивалентную мощность в 35 ГВт, однако, с учетом габаритных размеров магистрали, плотность мощности составляет 2 МВт/см2, что меньше, чем у прототипа гибридной линии энергопередачи.
Эта работа была высоко оценена как международным сообществом (приглашенные доклады на нескольких конференциях) так и правительством России. Группа разработчиков кабеля и криогеники (В.С. Высоцкий, А.Л.Рахманов, Г.Г.Свалов и другие), сотрудники испытательного центра, совместно с разработчиками водородных парогенераторов была удостоена Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники 2012 года «За разработку инновационных водородных и сверхпроводниковых технологий для энергетики».
Результаты испытаний второго прототипа гибридной линии энергопередачи ВНИИКП были опубликованы в 2015 г. [5, 6]. Помимо увеличения длины гибридной линии до 30 м, в ее конструкцию был внесен целый ряд усовершенствований: значительно переработана система теплизоляции длинномерного криостата и увеличена токонесущая способность сверхпроводящего кабеля. Внешний вид второго прототипа гибридной линии изображен на Рис. 3.
Сверхпроводящий кабель второго прототипа гибридной линии сохранил свою архитектуру, однако, число MgB2 лент в его сверхпроводящих слоях было увеличено с 5 до 6, высоковольтная электрическая изоляция была выполнена из бумаги, а не из полиимида. Номинальный ток сверхпроводящего кабеля возрос до 3 кА.
Система криогенного обеспечения второго прототипа гибридной линии состояла из криостата в виде трех секций, длиной по 10 м каждая, двух концевых муфт (в каждой по 2 токоввода) и магистралей для подачи жидкого водорода. Секционирование криостата позволило оценить эффективность трех различных способов теплоизоляции. В первой секции использовалась обычная вакуумная суперизоляция, намотанная в пятьдесят слоев. Вторая секция криостата содержит дополнительный кольцевой канал, в который подается часть потока жидкого водорода с последующей вакуумной откачкой до разрежения 0,1-0,2 бар (активная испарительная система криостатирования - АИСК). В третьей секции криостата находится тепловой экран, охлаждаемый прокачкой жидкого азота под давлением 4 бар с массовым расходом 70-90 г/c. Вакуумная откачка жидкого водорода позволяет добиться дополнительного охлаждения хладагента, а азотное охлаждение теплового экрана значительно снижает приток тепла к водородному объему.
Рис. 3. Второй прототип гибридной линии: 1 - токовводы, 2 - концевые муфты, 3 - секция криостата кабеля, 4 - секция криостата кабеля с переохладителем, 5 - секция криостата кабеля с азотным экраном, 6 - рама.
Токовводы второго прототипа гибридной линии рассчитаны на более высокий номинальный ток, при работе в режиме перегрузки - ток 3,2 кА, нагрев токовводов достигает 240 ºС. Максимальный теплоприток в криогенный объем по токовводам составляет около 260 Вт. Для снижения конвекции, пространство между токовводным стержнем и стенками изолятора разделено перегородками на секции. Данная мера позволила снизить конвекционный теплоприток в жидкий водород почти в два раза.
Испытания второго прототипа гибридной линии также проводились на полигоне КБ «Химавтоматика». Для гарантированного охлаждения кабеля и предотвращения образования крупных газовых пузырей жидкий водород подавался в криогенную систему под давлением и в переохлажденном состоянии. Общее время первоначального охлаждения гибридной линии составило 15-20 минут.
В первой секции криостата жидкий водород нагревается на 0,5-0,7 К, что соответствует теплопритоку на уровне 100 - 120 Вт, во второй секции криостата с активной испарительной системой криостатирования температура жидкого водорода в главном канале снижается на величину до 2 К. В третьей секции криостата происходит нагрев на 1-1,2 К, в зависимости от массового расхода и давления хладагента. Этот эксперимент подтвердил высокую эффективность системы АИСК, которая позволяет значительно увеличить длину между станциями охлаждения при малых затратах хладагента в будущих длинных гибридных линиях.
Рис. 4. Вольтамперные характеристики жил сверхпроводящего кабеля.
Критический ток кабеля измерялся сессиями длительностью по 20-60 с. Было получено несколько значений критического тока (в диапазоне 3 – 5 кА) в зависимости от режима работы криогенной установки (см. Рис. 4). Давление жидкого водорода на входе в кабель лежало в диапазоне от 0,15 до 0,5 МПа, массовый расход хладагента составлял от 18 до 450 г/с. Критический ток кабеля достигал 2,7 кА при 25 К, 3,3 кА при 22 К и 3,5 кА при 20 К.
Были проведены впервые в мире высоковольтные испытания сверхпроводящего кабеля в жидком водороде. При заземленном криостате на внутреннюю сверхпроводящую жилу кабеля подавалось ступенчато нарастающее постоянное напряжение с шагом в 10 кВ за 15 мин. вплоть до достижения напряжения 50 кВ. Ток утечки не превышал 10 мкА. Таким образом, было подтверждено высокое качество изоляции кабеля и его токовводов.
1. P.M. Grant, “Will MgB2 Work,” The Industrial Physicist, Oct-Nov 2001, p.22-23.
2. P.M. Grant, “Energy for the City of the Future,” The Industrial Physicist, Feb-Mar 2002, pp.22-25.
3.В.В. Костюк, И.В. Антюхов, Е.В. Благов, В.С. Высоцкий, Б.И. Каторгин, А.А. Носов, С.С. Фетисов, В.П. Фирсов, Экспериментальная гибридная энергетическая магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе диборида магния (MgB2), Письма в ЖТФ, 38, 6, 52 (2012).
4. V. S. Vysotsky, A. A. Nosov, S. S. Fetisov, G. G. Svalov, V. V. Kostyuk, E. V. Blagov, I. V. Antyukhov, V. P. Firsov, B. I. Katorgin, and A. L. Rakhmanov, Hybrid Energy Transfer Line With Liquid Hydrogen and Superconducting MgB2 Cable—First Experimental Proof of Concept, IEEE Transactions Applied Superconductivity 23 5400906 (2013).
5. V.V. Kostyuk, E.V. Blagov, I.V. Antyukhov, V.P. Firsov, V.S. Vysotsky, A.A. Nosov, S.S. Fetisov,
S.Yu. Zanegin, G.G. Svalov, V.S. Rachuk, B.I. Katorgin, Cryogenic design and test results of 30-m flexible hybrid energy transfer line with liquid hydrogen and superconducting MgB2 cable, Cryogenics 66, 34 (2015).
6. V. S. Vysotsky, V. Blagov, Valery V. Kostyuk, Alexander A. Nosov, Sergey S. Fetisov, Sergey Yu. Zanegin, Ilya V. Antyukhov, Valery P. Firsov, Grigory G. Svalov, Boris I. Katorgin, and Vladimir S. Rachuk, New 30-m Flexible Hybrid Energy Transfer Line With Liquid Hydrogen and Superconducting MgB2 Cable—Development and Test Results, IEEE Transactions Applied Superconductivity 25, 5400205 (2015)